基于問題解決的計(jì)算思維培養(yǎng)模式探析

楊娟

摘? 要 隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)教學(xué)迎來(lái)諸多變革與挑戰(zhàn)。在此背景下，計(jì)算思維受到人們更多的關(guān)注，并且成為信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一，因此有必要盡早開始對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行培養(yǎng)。以促進(jìn)計(jì)算思維培養(yǎng)為目的，構(gòu)建針對(duì)小學(xué)生的有效教學(xué)模式，以期在實(shí)踐中提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞 計(jì)算思維;問題解決;信息技術(shù);核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G622? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）17-0074-03

0? 前言

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅改善了人們的日常生活方式，也加深了人們對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科的理解與認(rèn)識(shí)。以計(jì)算機(jī)為代表的數(shù)字工具已成為人們生活中不可或缺的一部分，特別是近年來(lái)大數(shù)據(jù)、人工智能的出現(xiàn)，使得計(jì)算思維被公認(rèn)為21世紀(jì)人類所必備的關(guān)鍵技能之一，是信息社會(huì)中數(shù)字公民應(yīng)具備的基本素養(yǎng)[1]。計(jì)算思維在眾多行業(yè)和社會(huì)領(lǐng)域展現(xiàn)出的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，正引領(lǐng)社會(huì)變革并成為學(xué)生觀察和理解社會(huì)的一個(gè)新視角[2]。計(jì)算思維已成為個(gè)體在信息時(shí)代復(fù)雜的技術(shù)文化中獲得成功的必備基本技能[3]。那么，如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，以及如何在具體的學(xué)科教學(xué)中有效地滲透對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，將具體的教學(xué)內(nèi)容與計(jì)算思維進(jìn)行有效融合等，成為困擾一線教師的主要問題。

目前，信息技術(shù)課程已被納入中小學(xué)生的必修課目且在國(guó)內(nèi)已基本普及。有些地區(qū)為調(diào)動(dòng)小學(xué)生對(duì)編程的興趣以及提高他們的課堂積極性與探索性，開始嘗試將Scratch、

App Inventor等可視化編程工具引入課堂教學(xué)中。這些工具的引入雖然在很大程度上調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與興趣，但在日常教學(xué)活動(dòng)與教學(xué)目標(biāo)中并沒有體現(xiàn)出對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的相關(guān)要求，更沒有明確計(jì)算思維培養(yǎng)的具體方法、策略以及可供操作的教學(xué)模式等，使得計(jì)算思維的培養(yǎng)還僅停留于政策或理論層面，缺乏常規(guī)的應(yīng)用實(shí)踐。因此，有必要重新設(shè)計(jì)小學(xué)信息技術(shù)課堂教學(xué)方式，設(shè)計(jì)出有利于促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式，將計(jì)算思維的相關(guān)理念與具體的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效融合，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的。

1? 計(jì)算思維定義

1.1? 什么是計(jì)算思維

通過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，計(jì)算思維并不是一個(gè)新概念，早在20世紀(jì)五六十年代就已經(jīng)初見端倪，但那時(shí)深受計(jì)算機(jī)等同于編程觀念的影響，將計(jì)算思維等同于算法思維和程序思維[4]。2006年，周以真教授在其發(fā)表的Computational Thinking一文首次提出：“計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)?！盵5]這篇文章的發(fā)表引發(fā)了國(guó)際社會(huì)對(duì)于計(jì)算思維本質(zhì)、特征及其內(nèi)涵等方面一系列討論。2011年，周以真教授對(duì)計(jì)算思維的概念作了進(jìn)一步的補(bǔ)充：“計(jì)算思維是一種解決問題的思維過(guò)程，能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理工具所能有效執(zhí)行的方式表述出來(lái)?！盵6]

通過(guò)對(duì)計(jì)算思維相關(guān)概念的整理與分析，結(jié)合實(shí)際教學(xué)現(xiàn)狀和小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，研究將計(jì)算思維理解為問題解決的思維方式，即計(jì)算思維是人們?cè)诮鉀Q問題的過(guò)程中所產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)過(guò)程，它通過(guò)化簡(jiǎn)、抽象、建模、迭代等方式，將一個(gè)較復(fù)雜的問題分解成若干個(gè)簡(jiǎn)單的、便于理解的小問題，最后再通過(guò)信息處理代理工具實(shí)現(xiàn)問題的有效解決。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，計(jì)算思維是人們?cè)诮鉀Q問題的過(guò)程中所采取的主要方法與步驟，并且這些方式最終能夠借助計(jì)算機(jī)等工具自動(dòng)執(zhí)行。

1.2? 計(jì)算思維的核心要素

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，使得近年來(lái)關(guān)于計(jì)算思維的研究越來(lái)越多，如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維？如何在課堂教學(xué)中有效地滲透對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)？學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了眾多探索。目前關(guān)于計(jì)算思維核心要素的說(shuō)法主要有兩種：一是由美國(guó)麻省理工媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT）的Lifelong

Kindergarten Group提出的計(jì)算思維的三維框架，包括計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀念，該三維框架的提出為計(jì)算思維的評(píng)價(jià)提供了有力的參考依據(jù)[7];二是南安普敦大學(xué)的Cynthia Selby和John Woollard兩位博士在此基礎(chǔ)上將計(jì)算思維進(jìn)一步細(xì)化，提出計(jì)算思維主要包括分解、抽象、算法思維、評(píng)估和概括這五個(gè)要素[8]。每個(gè)要素的具體闡釋如下。

1）分解（Decomposition）。通俗地說(shuō)，分解就是將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的過(guò)程。當(dāng)學(xué)生遇到較復(fù)雜的、不能馬上給出解決方案的問題時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試將問題進(jìn)行有效分解，簡(jiǎn)化成一個(gè)個(gè)易于解決的或者能夠與自身已有的知識(shí)相類似的小問題。

2）抽象（Abstraction）。抽象就是讓問題或系統(tǒng)變得更加明確，將問題情境中一些不相關(guān)的或者重復(fù)的信息摒棄，并能夠根據(jù)情境中所呈現(xiàn)的問題特征，借助思維可視化工具（如概念圖、思維導(dǎo)圖或流程圖等）將隱性的思維過(guò)程顯性化，從而能夠?yàn)樗惴ㄔO(shè)計(jì)和程序搭建做好前期準(zhǔn)備。

3）算法思維（Algorithmic Thinking）。算法思維就是將問題解決方案利用計(jì)算機(jī)有效地執(zhí)行，將抽象建模過(guò)程中所繪制的圖示轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，在小學(xué)階段主要是轉(zhuǎn)換成可視化編程的積木模塊。這是人機(jī)交互的一個(gè)關(guān)鍵階段。

4）評(píng)估（Evaluation）。評(píng)估就是按照一定的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判某一個(gè)方案或作品是否最優(yōu)、最有創(chuàng)意等。在本研究中，不僅需要評(píng)估學(xué)生最后所呈現(xiàn)的作品，還需要評(píng)估學(xué)生是如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的。

5）概括（Generalization）。概括是將問題解決的方法或步驟進(jìn)行有效歸納與總結(jié)，形成一個(gè)較為通用的解決方案，以方便將來(lái)遇到類似問題時(shí)能夠迅速提取以便順利解決問題。

2? 基于問題解決的計(jì)算思維培養(yǎng)模式的構(gòu)建

以具體任務(wù)為導(dǎo)向的教學(xué)方式在中小學(xué)課堂中十分常見，這也是當(dāng)今信息技術(shù)課堂教學(xué)中的主流方式之一，如圖1所示。教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)問題情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生積極思考，實(shí)現(xiàn)新課的導(dǎo)入;隨后，適時(shí)地進(jìn)行新知講授，并呈現(xiàn)一些具體的任務(wù)要求，引導(dǎo)學(xué)生一起分析任務(wù);讓學(xué)生根據(jù)要求嘗試動(dòng)手操作，在此過(guò)程中進(jìn)行課堂巡視并給予學(xué)生一定的幫助;最后由學(xué)生展示自己的作品，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行課堂小結(jié)。這種常規(guī)的教學(xué)模式以教師講解或操作為主，學(xué)生只需按部就班地跟隨教師的指示與操作即可，思維參與過(guò)程相對(duì)較少。

該流程對(duì)于學(xué)生知識(shí)與技能的掌握有很好的效果，但是缺乏對(duì)學(xué)生思維的培養(yǎng)，尤其是計(jì)算思維的培養(yǎng)，不利于新時(shí)期對(duì)于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。因此，十分有必要重構(gòu)信息技術(shù)課堂教學(xué)模式，將計(jì)算思維的培養(yǎng)納入信息技術(shù)日常教學(xué)環(huán)節(jié)，并通過(guò)具體的課堂教學(xué)活動(dòng)，有目的地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

結(jié)合上述理論依據(jù)，研究者重新設(shè)計(jì)了信息技術(shù)課堂教學(xué)流程（如圖2所示），圍繞教師和學(xué)生活動(dòng)展開，將計(jì)算思維的五個(gè)核心要素融入教學(xué)過(guò)程中，從而構(gòu)成問題解決模式的教學(xué)流程，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)都側(cè)重于計(jì)算思維的某一要素培養(yǎng)。

2.1? 教師活動(dòng)

2.1.1? 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入問題? 教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)問題情境，將學(xué)生的注意力迅速轉(zhuǎn)移到本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探究熱情。隨后組織學(xué)生分小組進(jìn)行討論，抽象問題情境中想要表達(dá)的中心思想或主題，引導(dǎo)學(xué)生摒棄情境中多余的、無(wú)關(guān)的信息，從而確定問題。

2.1.2? 組織討論，分解問題? 待問題明確后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生回憶是否解決過(guò)類似的問題。若學(xué)生已解決過(guò)類似的問題，則直接提取問題的解決方案;若無(wú)，則需對(duì)問題進(jìn)行進(jìn)一步分析。在分析問題的過(guò)程中，嘗試對(duì)問題進(jìn)行分解，將其分解成較小的、便于理解或易于解決的小問題。

2.1.3? 引導(dǎo)學(xué)生抽象建模? 教師需要及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生借助流程圖或思維導(dǎo)圖等思維工具，基于上一環(huán)節(jié)的分析對(duì)問題進(jìn)行抽象建模，勾畫出問題解決的關(guān)鍵步驟，并對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行有效處理，從而系統(tǒng)和全面地把握問題。

2.1.4? 引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手操作? 學(xué)生借助可視化編程工具將所繪制的圖示轉(zhuǎn)化為可供計(jì)算機(jī)執(zhí)行的程序，并不斷地調(diào)試與測(cè)試程序，直到程序能夠順利實(shí)現(xiàn)自己的預(yù)期目標(biāo)。

2.1.5? 交流展示，評(píng)價(jià)反思? 在課堂展示環(huán)節(jié)，教師需要鼓勵(lì)各小組積極分享并闡述作品從構(gòu)思到最終完成這一整個(gè)流程，其他學(xué)生則需對(duì)展示的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出自己的想法或建議。

2.1.6? 總結(jié)評(píng)價(jià)? 及時(shí)的總結(jié)與歸納有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移。故而教師在課堂的最后環(huán)節(jié)需要引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有效概括、總結(jié)或搭建知識(shí)框架，從而實(shí)現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。

2.2? 學(xué)生活動(dòng)

2.2.1? 進(jìn)入情境，明晰問題? 能夠根據(jù)教師所描述或創(chuàng)建的教學(xué)情境，明晰本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)。通過(guò)小組討論的方式，分析問題情境中所描繪的問題狀態(tài)，摒棄無(wú)關(guān)的信息，抽象出問題的關(guān)鍵特征，從而確定問題。

2.2.2? 小組討論，分解問題? 為能夠順利解決問題，小組成員積極展開頭腦風(fēng)暴并將問題進(jìn)行分解，提出解決問題的可行方案。

2.2.3? 繪制圖示，抽象建模? 學(xué)生在教師的引導(dǎo)下嘗試?yán)盟季S導(dǎo)圖或流程圖將頭腦中隱性的思考過(guò)程用圖示的方式顯性化，對(duì)問題的解決方案進(jìn)行抽象建模，整體上對(duì)問題進(jìn)行系統(tǒng)把握。

2.2.4? 搭建程序? 明確了問題解決方案后，學(xué)生需要借助可視化編程工具將思考過(guò)程中所繪制的圖示轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的程序語(yǔ)言，并不斷調(diào)試程序，初步實(shí)現(xiàn)問題的解決。

2.2.5? 展示交流? 在課堂的展示環(huán)節(jié)，學(xué)生不僅需要積極參與對(duì)同學(xué)作品的評(píng)價(jià)，還要積極地展示、分享自己的作品以及闡述設(shè)計(jì)思路，并根據(jù)同學(xué)和教師的建議再次修改、完善作品。

2.2.6? 總結(jié)? 在課程結(jié)束前，嘗試概括總結(jié)本課的教學(xué)內(nèi)容與重難點(diǎn)，整理出問題解決的思路與關(guān)鍵步驟，從而為學(xué)習(xí)遷移做好知識(shí)儲(chǔ)備。

整個(gè)教學(xué)過(guò)程始終圍繞教師活動(dòng)與學(xué)生活動(dòng)展開，教師承擔(dān)著把控整個(gè)教學(xué)過(guò)程、管理課堂秩序、規(guī)劃課堂具體環(huán)節(jié)等職責(zé)。教師在教學(xué)過(guò)程中需要有目的地引入或創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生的情感[9]，并引導(dǎo)學(xué)生秉持積極主動(dòng)的興趣，根據(jù)問題情境展開小組討論，從而發(fā)現(xiàn)問題、確定問題，而后圍繞問題解決進(jìn)行計(jì)算思維各要素的培養(yǎng)。

3? 結(jié)語(yǔ)

思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，它是一個(gè)長(zhǎng)期、持續(xù)的過(guò)程，作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的計(jì)算思維更是承擔(dān)了重要作用。因此，十分有必要在小學(xué)階段開始加強(qiáng)計(jì)算思維方面的培養(yǎng)與訓(xùn)練，在課堂教學(xué)中開始有目的地滲透對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，通過(guò)具體的項(xiàng)目或任務(wù)將學(xué)生隱性的思維通過(guò)一系列的項(xiàng)目、活動(dòng)展示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的目的。

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